Dispositif communicant par optique sans fil pour les transmissions audio à l’intérieur du cockpit d’un avion

par Steve Joumessi Demeffo

Thèse de doctorat en Electronique des Hautes Fréquences, Photonique et Systèmes

Sous la direction de Anne Julien-Vergonjanne et de Stéphanie Castan.

Soutenue le 15-12-2020

à Limoges , dans le cadre de École doctorale Sciences et Ingénierie des Systèmes, Mathématiques, Informatique (Limoges) , en partenariat avec XLIM (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Pierre Cances.

Le jury était composé de Anne Julien-Vergonjanne, Stéphanie Castan, Xun Zhang.

Les rapporteurs étaient Frédéric Lamarque, Valeria Loscri.


  • Résumé

    Le travail de cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet européen H2020 Clean Sky 2 intitulé ALC (« Aircraft Light Communication ») qui a pour objectif d’apporter une preuve de concept de l’intégration de la technologie optique sans fil dans le cockpit d’un avion en alternative des solutions radiofréquences et filaires qui présentent plusieurs limites telles que la sécurité et le confort. Les travaux menés concernent le développement d’un casque audio communiquant en infrarouge dans un réseau bidirectionnel constitué d’un point d’accès situé au plafond du cockpit et de quatre casques portés par les membres de l’équipage. Nous avons commencé par présenter les techniques de communication numérique applicables au contexte afin de motiver le choix pour les formats de modulations OOK (« on-off keying »), PPM (« pulse-position modulation ») et de la méthode d’accès au canal DCF (« distributed coordination function ») avec RTS/CTS (« request to send/clear to send »). Ensuite, nous avons décrit les émetteurs-récepteurs et modélisé le canal optique à partir du logiciel de simulation RaPSor, basé sur la méthode de lancer de rayon associé à une technique de Monte-Carlo, développé à XLIM/SYCOMOR. Cette modélisation réalisée à partir d’un modèle 3D du cockpit et des corps des membres de l’équipage, a permis de déterminer les angles à mi-puissance optimaux des sources situées sur le point d’accès et sur les casques en tenant compte de la robustesse face aux mouvements aléatoires que peuvent effectuer les membres d’équipage durant le vol. Les gains statiques issus de la modélisation du canal ont servi ensuite dans l’étude conjointe des performances des couches physiques et liaison de données. Cette étude a permis de mettre en lumière le compromis entre le niveau de puissance émis et la latence pour une qualité de service visée. Nous avons montré qu’il était possible de concevoir un réseau en optique sans fil dans un cockpit AIRBUS A350 compatible au standard IEEE802.11 avec : le format de modulation 4-PPM, la méthode d’accès au canal DCF avec RTS/CTS, un taux de perte de paquets de 10-4 et un délai de communication avec succès de 2,5 ms. Cela est possible à condition d’adapter la fenêtre de contention du standard IEEE802.11 en fonction de la probabilité de collision, de la taille des paquets et du débit binaire du réseau. Nous avons enfin conçu un banc de test modulaire en radio logicielle. Notre choix s’est porté sur l’environnement GNU Radio associé aux périphériques USRP (« universal software radio peripheral »). Des front-ends optiques ont été spécifiquement développés pour les USRP. Nous avons pu montrer expérimentalement l’influence des paramètres des sources sur le taux de perte des paquets. Le travail effectué dans cette thèse ouvre plusieurs perspectives sur le plan de la simulation et de l’expérimentation.

  • Titre traduit

    Optical wireless communication device for audio communications inside aircraft cockpit


  • Résumé

    The work developed in this thesis is part of the European project H2020 Clean Sky 2 entitled ALC (« Aircraft Light Communication ») which aims to provide a proof of concept of the integration of optical wireless technology in the aircraft cockpit, as an alternative to radio frequency and wired solutions, having several limitations like safety and comfort. The work carried out in this thesis concerns the development of a headset communicating in infrared in a bidirectional network made of an access point located at the cockpit ceiling and four helmets worn by the crewmembers. We started by presenting the digital communication techniques that can be used in the context to motivate the choice of the study of OOK (« on-off keying»), PPM (« pulse-position modulation») modulations and DCF («distributed coordination function») with RTS/CTS (« request to send/clear to send »). Then, the transceiver main characteristics have been identified and the optical channel was modeled using the RaPSor simulation software, developed at XLIM/SYCOMOR and based on raytracing method associated with a Monte-Carlo technique. This modelling, based on a 3D model of the cockpit and the bodies of the crewmembers, allowed determining the optimal half-power angles of the sources located on the access point and on the headsets, taking into account the robustness against the random movements of the crew members during the flight. The static gains from the channel modelling were then used in a joint study of the performance of the physical and data link layers. This study highlighted the trade-off between the emitted power level and latency for a targeted quality of service. We have shown that it is possible to design an optical wireless network in an AIRBUS A350 cockpit compliant with the IEEE802.11 standard with: 4-PPM modulation, DCF with RTS/CTS channel access method, a packet error rate of 10-4 and a successful communication delay of 2.5ms. This is possible if the contention window parameter defined in the IEEE802.11 standard specifications is adapted according to the network probability collision, packets size and the data rate. Finally, we designed a modular test bench based on software defined radio. We chose the GNU Radio environment associated with USRP (« universal software radio peripheral »). Specific optical front-ends have been developed for this aim. We have experimentally shown the influence of the source parameters on the packet error rate. The work carried out in this thesis opens several perspectives in terms of simulation and experimentation.


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